مأخذ : نشریه تهویه و تبرید – خرداد 1383
تأسیسات چیلر/هیتر مستقیم سوز:
افزایش توجه به سیستم های BCHP و ICHP باعث بررسی مجدد چیلر/هیترهای جذبی مستقیم سوز از نظر اتکاپذیری شبکه و جنبه های اقتصادی سوز موجود، همچنین مسائل زیست محیطی گردیده است.
طراحی برای منظورهای خاص:
فلسفه ی طراحی سیستم های جذبی معمولی، ایجاد سیستمی بود که آب سرد تولید کند و از آنجایی که این سیستم از نظر دمایی فعال می شد ؛ برای ایجاد آب داغ یا بخار نیز به کار می رفت. این امر منجر به ایجاد طرح هایی مبتنی بر چیلر گردید و ظرفیت گرمایشی و دمای قابل دسترسی بر اساس طراحی چیلر را محدود می ساخت. شرکت های بین المللی متعددی دریافته بودند که این فلسفه ی طراحی، کاربردهای تاسیسات گرمایشی و سرمایشی را بسیار محدود خواهد ساخت. طرح های پیشرفت های گرمایشی/سرمایشی قادرند تن های سرمایشی لازم را برآورده ساخته و همچنین بارهای گرمایشی را با به کارگیری فلسفه ی طراحی مستقل برای هر سیستم، تأمین نمایند.
این امر، این سیستم های پیشرفته را قادر می سازد تا نیاز به بویلرهای کمکی را از میان برداشته و منافع اقتصادی قابل توجهی برای یک سیستم واحد که تمام نیازهای گرمایشی، سرمایشی و آب گرم ساختمانی را تأمین می نماید، رقم بزنند.
برنامه ریزی برای تاسیسات جدید همراه با چیلرهای جزئی موجود:
فن آوری های دمایی مانند سیستم های جذبی، به گرما و دمای کاربردی وابسته هستند . بنابراین، زمانی که فن آوری های نیرو برای سیستم های BCHP همراه با فن آوری جذبی مورد آزمایش قرار می گیرد ؛ بایستی به کیفیت جریان های انرژی قابل بازیافت موجود توجه داشت. شکل 6 تطابق بهینه ی جریان های انرژی قابل بازیافت با فن آوری های جذبی را نشان می دهد. هنگام بررسی این نمودار باید توجه داشت که ملاحظات طراحی برای دستیابی به دماهای نزدیک بین دمای انرژی قابل بازیافت و دمای فعال سازی سیستم جذبی بایستی در نظر گرفته شوند.
پیدایش فن آوری های جدید جذبی به علت نیازمندی های :BCHP
پیدایش نسل بعدی سیستم های جذبی تک منظوره:
BCHP و ICHP در اروپا در دهه های گذشته، همچنین پیدایش ابتکاراتی در ایالات متحده، دو سازنده عمده
چیلرهای جذبی را بر آن داشته است تا مجدداً به فکر تولید چیلرهای تک منظوره بیفتند. یکی از شرکت ها در حال نوسازی و به روزآوری چیلرهای تک منظوره ی موجود برای برآورده ساختن تمام خصوصیات طراحی اخیر است (شکل 7). سازنده ی دوم که قبلاً تنها دستگاه های دومنظوره می ساخته است، یک محصول تک منظوره ی مستقیم سوز کاملاً جدید معرفی نموده است که به خصوص در زمینه ی BCHP و ICHP کاربردهای فراوان دارد (شکل 8).
پیدایش سیستم های میکرو توربین/جذبی هم‌سوخت:
چیلرهای جذبی تک منظوره می توانند به سادگی همراه با میکروتوربین ها، با استفاده از سیستم های بازیافت گرمای معمولی که در حال حاضر توسط سازندگان میکروتوربین ها تأمین می گردند ؛ به کار گرفته شوند . اما این ترکیب تجهیزات و کارایی پایین چیلر، با مشکلاتی برای فروش در بازار رو به رو بود. به نظر می رسد ترکیب مستقیم خروجی 600 درجه سانتی گراد میکروتوربین با ورودی هوای چیلر دومنظوره ی مستقیم سوز، مزایای اقتصادی مناسبی داشته باشد.
میکروتوربین ها، مانند همتاهای بزرگ تر خود، با افزایش دمای محیطی بالاتر از ظرفیت اسمی آن ها (شرایط تعیین شده iso، پنجاه و نه درجه فارنهایت در ارتفاع معادل سطح دریاست)، با مشکل کاهش ظرفیت روبرو خواهند شد. حفظ شرایط هوای ورودی مشابه شرایط ذکرشده توسط ISO ، حفظ توان خروجی و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری باعث خواهد شد. یک مجموعه بسیار کارآمد BCHP که طراحی آن انجام گرفت، ترکیب توربین های گازی (میکروتوربین ها) با چیلرهای دو منظوره مستقیم سوز است. کاربرد یک چیلر جذبی هم سوخت DFDE همراه با سیستم گرمایشی در یک ساختمان، نتایج زیر را دربر خواهد داشت:
1) کاهش نیازمندی های الکتریکی ساختمان با استفاده از یک چیلر هم سوخت به جای چیلر برقی. صرفه جویی الکتریکی انجام شده به این روش، می تواند تا یک سوم نیازمندی های الکتریکی یک ساختمان معمولی باشد.
2) افزایش ظرفیت توربین در دمای بالای محیطی (20 تا 36 درصد افزایش ظرفیت در دمای 95 درجه سانتی گراد).
3) تأمین نیرو و همچنین تمام نیازهای سرمایشی، گرمایشی و آب گرم لازم در ساختمان. سیستم های هم سوخت ممکن است نیاز به تعدیل هوای تأمین شده از میکروتوربین به ژنراتور مربوطه داشته باشند . زیرا بار الکتریکی ممکن است با بار سرمایشی ساختمان هم خوانی نداشته باشد.
دومین مسئله ای که در مسئله ی ترکیب سیستم های گرمایشی/چیلر جذبی با میکروتوربین ها بایستی در نظر داشت ؛ تطابق کامل جریان هوای خروجی از میکرو توربین با نیازمندی های هوای احتراق ژنراتور است. یکی از طراحی های اولیه ی انجام شده در این زمینه، یک میکرو توربین 75 کیلوواتی، یک چیلر/هیتر DFDE پنجاه تنی و یک برج خنک کننده است که برای آزمایش در یکی از اماکن دولتی در امریکا در نظر گرفته شده است.
از پنجاه تن ظرفیت فوق، حدود 10 تن برای سرد کردن هوای ورودی و 40 تن برای تأمین سرمایش کل اماکن ساختمان که توسط میکروتوربین پوشش داده می شوند، تخصیص یافته است (شکل 11).
پیدایش نسل بعدی سیستم های جذبی هوا-خنک:
مسلم است که می توان با نوآوری های هوشمندانه در سیستم های قبلی، کارایی آنها را بهبود بخشید. برج های خنک کننده و عملکرد آن ها به خوبی شناخته شده اند و جای خود را در کاربردهای بزرگ تجاری حفظ نموده اند؛ اما برج های خنک کننده برای کاربرد در اماکن کوچک مناسب نیستند ؛ زیرا نیازمند تعمیرات و نگهداری خاص این دستگاه ها می باشند. چیلرهای جذبی هوا-خنک ، دستگاه های جدید نیستند. این سیستم ها در بازار فراوان یافت می شدند . اما مبرد آنها آمونیاک/آب بوده و ظرفیت آنها کمتر از 10 تن بوده است. طی دهه های 1980 و 1990 ، تلاش های زیادی برای طراحی و ساخت چیلرهای لیتیوم برماید/آب دارای کندانسورهای هوا-خنک انجام گرفت تا بتوان نیاز به برج خنک کننده را از میان برداشت. عمده ترین مانع فنی ساخت چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب از نوع هوا-خنک، محدودیت های مربوط به پدیده کریستالی شدن محلول لیتیوم برماید/آب است. محدوده کریستالی شدن لیتیوم برماید/آب، خیلی نزدیک به غلظت عملکردی لازم برای استفاده در چیلرهای جذبی است. دومین مسئله مهم، این است که چیلرهای معمولی لیتیوم برماید/آب از یک افزودنی بسیار مؤثر برای انتقال حرارت و جرم (2-اتیل هگزانول) استفاده می کنند. مطالعات مفصلی بر روی افزودنی های متعدد در تمام دنیا انجام شده است، اما هیچ یک عملکرد بهتری از 2-اتیل هگزانول نداشته اند. در دهه های متمادی، محققین سعی داشتند چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب از نوع هوا-خنک طراحی نمایند. دو رویکرد فنی عمده در تلاش های انجام گرفته در زمینه طراحی چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب از نوع هوا-خنک به کار گرفته شده اند. این دو رویکرد اساسی عبارت اند از:
1)تغییر در طراحی مکانیکی (مانند استفاده از مبدل های حرارتی با بازدهی بسیار بالا) برای حداکثر استفاده از عملکرد هوا-خنک در محدوده کریستالی شدن لیتیوم برماید/آب 2) اضافه کردن مواد شیمیایی به منظور بالاتر بردن دمای کریستالی شدن، به نحوی که عملکرد هوا-خنک بتواند با استفاده از مبدل های حرارتی معمولی از پدیده کریستال شدن جلوگیری نماید. هریک از این دو رویکرد، به طور خلاصه مورد بحث قرار خواهد گرفت. همچنین می توان هر دو روش را در یک دستگاه به کار برد.
رویکردهای مکانیکی معمولی:
سازندگان آسیایی متعددی موفق شده اند چیلرهای لیتیوم برماید/آب از نوع هوا-خنک را با استفاده از روش های مکانیکی و استفاده از خواص شیمیایی عادی لیتیوم برماید/آب طراحی کرده و روانه بازار نمایند. این محصولات که از مبدل های حرارتی دارای بازدهی بسیار بالا و (در برخی موارد) از پیکربندی مبدل های حرارتی چندگانه استفاده می کنند، برای استفاده در شرایط آب و هوایی نه چندان گرم مناسب اند؛ اما این سیستم ها هنوز هم محدودیت کریستالی شدن محلول لیتیوم برماید/آب را داشته و برای کاربرد در هوای گرم تر مانند برخی نقاط ایالات متحده، حتی در بهترین شرایط کارکرد، نامناسب بوده و یا بسیار نزدیک به دمای کریستالی شدن کار می کنند. به علاوه، مبدل های حرارتی پربازده و همچنین مراحل اضافی در نظر گرفته شده برای مبدل های حرارتی اضافی که در برخی سیستم ها به کار گرفته شده است، قیمت بسیار بالاتری نسبت به چیلرهای جذبی معمولی لیتیوم برماید/آب که با آب خنک می شوند، دارند. بنا به دلایل فوق، روش های مکانیکی معمولی برای طراحی و ساخت چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب با استفاده از محلول استاندارد لیتیوم برماید/آب برای استفاده در بسیاری از کاربردهای BCHP در ایالات متحده مناسب نیستند (به علت قیمت نسبتاً بالا و حاشیه ایمنی ناکافی از نظر کریستالی شدن در آب و هوای گرم که البته در همین مکان هاست که چنین ترکیب BCHP بیشتر کاربرد را دارد) . بنابراین، نیاز به طراحی نسل بعدی سیستم های جذبی هوا-خنک برای کاربرد BCHP به روشنی مشخص می گردد.
روش های شیمیایی:
تحقیقات بسیاری برای بهبود خصوصیات کریستالی شدن سیستم لیتیوم برماید/آب، با افزودن مواد شیمیایی دیگر به این محلول انجام گرفته است. بسیاری از این تلاش ها که برای یافتن ترکیبات شیمیایی معدنی و آلی به این منظور انجام شده اند، کاملاً مستند شده و انتشار یافته اند. تعدادی مواد شیمیایی در آزمایشگاه توانسته اند به خوبی دمای کریستال شدن سیستم های هوا-خنک را بالا ببرند. متأسفانه تمام این مواد شیمیایی، دارای خواص منفی نیز هستند که کاربرد علمی آن ها را محدود می سازد. تمام مواد شیمیایی یافت شده (تا جایی که در مدارک منتشر شده آمده است)، گرانروی بالاتری داشته و باعث کاهش کارایی انتقال حرارت و جرم در جاذب می شوند) معمولاً این پدیده به عنوان افزایش سرمایش فرعی جاذب از حدود 1 درجه سانتی گراد تا 15 درجه سانتی گراد شناخته می شود که حتی در بهترین حالت ترکیب شیمیایی نیز مشاهده می شود).
این کاهش کارایی جاذب باعث خنثی شدن خواص بهبود یافته کریستالی شدن مخلوط شیمیایی می شود . در عین حال جاذب های بزرگتر (گران قیمت تری) نیز نیاز دارد. همان طور که یک افزودنی مؤثر برای انتقال حرارت و جرم، برای امکان کاربرد تجاری چیلرهای جذبی معمولی لیتیوم برماید/آب لازم است ؛ یک افزودنی انتقال حرارت و جرم که بتواند از نقطه نظر تئوری مشکل عملکرد ضعیف جاذب برای مخلوط شیمیایی را حل کرده و در عین حال بهبود حاصل شده در خواص کریستالی شدن را نیز حفظ نماید، به همان اندازه ضروری به نظر می رسد. چنین افزودنی که با مخلوط شیمیایی ترکیب می شود، می تواند از نظر تئوری امکان طراحی چیلرهای جذبی نوع هوا-خنک را که نسبتاً ارزان نیز باشند، فراهم آورد. متأسفانه افزودنی رایج انتقال حرارت و جرم (2- اتیل هگزانول) اگر با هریک از مخلوط های شیمیایی که بهبود وضعیت کریستالی شدن لیتیوم برماید را باعث می شوند همراه شود ؛ اثربخشی چندانی نخواهد داشت.
با این حال، موفقیت های چشمگیر در زمینه ی شناسایی و کاربرد یک افزودنی قابل کاربرد در انتقال حرارت و جرم برای سیستم های هوا-خنک تک منظوره حاصل شده است. در اواخر دهه ی 1970 و اوایل دهه ی 1980 ، شرکت Carrier یک افزودنی شیمیایی را شناسایی نمود که استفاده مؤثر از مخلوطی از لیتیوم برماید/آب و اتیلین گلیکول را (که Carrol نامیده شده است) ممکن می سازد. این افزودنی جدید انتقال حرارت و جرم، تأثیری مشابه Carrol (برای سیستم هوا-خنک) مانند 2- اتیل هگزانول بر روی لیتیوم برماید/آب معمولی دارد. انتقال حرارت و جرم در جاذب، به این طریق افزایش می یابد به قسمی که سرمایش فرعی به میزان قابل توجهی از حدود 15 درجه سانتی گراد به حدود 1 درجه سانتی گراد کاهش می یابد که عملکرد جاذب مشابهی با چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب معمولی به دست می دهد. این نوآوری انجام شده با افزودنی جدید، تمام مزایای مربوط به بهبود انجام شده در زمینه ی کریستالی شدن را با به کارگیری اتیلن گلیکول برای دستیابی به کاربرد سیستم های هوا-خنک با حاشیه ی امنیتی مناسبی از نظر کریستالی شدن، حتی اگر دمای محل کاربری بالا باشد، ایجاد می نماید. این امر با مبدل های حرارتی نسبتاً معمولی و ارزان قیمت عملی شده و از هزینه های اضافی مربوط به چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب نوع هوا-خنک که توسط سازندگان آسیایی تولیدشده بود، جلوگیری به عمل آمده است. بر پایه این نوآوری شیمیایی در اوایل دهه ی 1980 ، شرکت Carrier چیلرهای جذبی هوا خنک را برای مصارف خورشیدی (با پشتیبانی مالی برنامه های خورشید سازمانی انرژی امریکا) تولید نمود. این نمونه ها برای ورودی آب گرم خورشیدی با دمای پایین طراحی شده بود، ولی
می توانست به سادگی با کاربرد در BCHP نیز هماهنگ شود.
